KR102539739B1 - 지반의 액상화 방지용 방벽구조체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 연약지반의 일정 영역을 완전히 차폐함으로써 차폐된 영역 내에서의 토사의 액상화 피해를 방지하고, 연약지반을 보강할 수 있는 지반의 액상화 방지용 방벽구조체에 관한 것으로, 본 발명에 따른 지반의 액상화 방지용 방벽구조체는, 'U'형 단면을 갖는 말뚝 형태를 가지며, 건축물 하부의 지반에 연직하게 매설되면서 양측 끝단부가 서로 긴밀하게 연결되어 지반의 일정 영역을 둘러싸면서 차폐하도록 측방으로 연속하여 배열된 복수의 파일부재;를 포함한다.

Description

지반의 액상화 방지용 방벽구조체{Barrier Structure for Preventing Soil Liquefaction Soft Ground}

본 발명은 연약지반 내에 매립되어 토사의 액상화 피해를 방지하는 토사 구속 구조체에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 복수의 U형 강널말뚝을 서로 연결하면서 연약지반에 매설하여 연약지반의 일정 영역을 완전히 차폐함으로써 차폐된 영역 내에서의 토사의 액상화 피해를 방지하고, 연약지반을 보강할 수 있는 지반의 액상화 방지용 방벽구조체에 관한 것이다.

일반적으로 연약지반 위에 구조물을 새로이 건설하거나 기 설치된 구조물을 증축하거나 보강을 하고자할 때 그 하부 연약지반을 개량하여 보강하는 작업을 하고 있다.

이러한 연약지반 개량 방법 중 후술하는 2가지의 방법은 대표적인 종래의 연약 지반개량 방법이다.

이중 첫 번째 방법은 천공기에 장착된 천공로드를 이용하여 소정의 깊이 즉 계획된 목적 심도까지 선 천공 후 천공로드를 그대로 이용하거나 또는 별도의 시멘트몰탈 주입로드를 하측까지 삽입 후 인발하면서 압축공기를 동반한 초고압수를 360°로 회전 분사하여 보강대상 지반을 절삭 배토하거나 느슨하게 함과 동시에 시멘트, 모래와 다량의 물로 제조된 묽은 죽과 같은 고유동성 시멘트몰탈 보강재를 지반(地中)에 연속적으로 주입하여 지반에 소정의 강도와 크기를 가지는 원주형 지반보강체를 조성하는 방법을 사용하는 것이다.

연약지반 개량 방법의 두 번째 방법은 천공기에 장착된 천공로드를 이용하여 소정의 깊이 즉 계획된 목적 심도까지 선 천공 후 상기 천공로드를 이용하거나 또는 별도의 시멘트몰탈 주입로드를 하측까지 삽입 후 인발하되 이번에는 보강 대상 지반을 절삭하거나 느슨하게 함이 없이 시멘트 조골재, 세골재 및 소량의 물로 제조된 낮은 슬럼프값(S < 10㎝)을 가지는 저유동성 시멘트몰탈을 비 배출 방식으로 무회전 압입 주입하여 지반에 소정의 강도와 크기를 가지는 원주형 지반보강체를 조성하는 방법을 사용하는 것이다.

그런데 해안이나 하천, 호수, 항만 등을 간척이나 준설 또는 매립에 의하여 형성시킨 지역은 그 지표면이 물과 점성토 또는 물과 뻘이 혼합된 습지를 형성하고 있을 뿐만 아니라, 지반의 내부에는 간극수가 내재하여 지반의 전체적인 강도가 매우 약하게 되는 연약지반을 형성하게 되므로, 상술한 것과 같은 연약지반 개량 방법들이 시행되더라도 지반의 액상화에 따른 피해를 방지하기 어려운 문제가 있다.

지반의 액상화는 모래지반에서 순간충격, 지진, 진동 등에 의해 간극수압의 상승으로, 유효응력이 감소되어 전단저항을 상실하고 지반이 액체와 같이 되는 현상을 말하며 액상화 발생시 건물의 부상 및 부동침하가 발생한다.

대한민국 등록특허 제10-2239089호 대한민국 등록특허 제10-0257630호 대한민국 등록실용신안 제20-0452946호 대한민국 등록특허 제10-0603140호

"모래지반에서 액상화 방지공법 사례연구", 김준석, 윤병조, 2016년 정기학술발표대회 및 특별세미나 한반도 지진 - 대비와 대응, 에너지/원자력 분과 발표, 2016.

본 발명은 상기한 종래의 문제를 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 간단한 구성으로 이루어지고 시공이 매우 용이하며, 연약지반의 일정 영역을 완전히 차폐함으로써 차폐된 영역 내에서의 토사의 액상화 피해를 방지하고, 연약지반을 보강할 수 있는 지반의 액상화 방지용 방벽구조체를 제공하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 지반의 액상화 방지용 방벽구조체는, 'U'형 단면을 갖는 말뚝 형태를 가지며, 건축물 하부의 지반에 연직하게 매설되면서 양측 끝단부가 서로 긴밀하게 연결되어 지반의 일정 영역을 둘러싸면서 차폐하도록 측방으로 연속하여 배열된 복수의 파일부재;를 포함한다.

상기 복수의 파일부재는 측방으로 지그재그로 연속하여 배열되며, 상기 파일부재의 양측 끝단부는 'C'형 고리 형태로 되어 다른 파일부재의 양측 끝단부와 서로 맞물리면서 연결될 수 있다.

본 발명의 다른 한 형태에 따른 지반의 액상화 방지용 방벽구조체는, 상기 복수의 파일부재의 양측 끝단부 사이의 연결 부위에 채워지는 수용성 폴리우레탄 수지로 된 실링재를 더 포함할 수 있다.

상기 파일부재의 양측 끝단부에 실링재를 안내하는 가이드유로가 파일부재의 길이방향을 따라 형성되고, 상기 가이드유로에는 수용성 폴리우레탄 수지가 유출되는 복수의 수지배출공이 길이방향을 따라 소정의 간격을 두고 배열될 수 있다.

본 발명의 또 다른 한 형태에 따른 지반의 액상화 방지용 방벽구조체는, 상기 복수의 파일부재에 의해 둘러싸인 영역 내에서 상기 복수의 파일부재에 인장력을 가하면서 복수의 파일부재를 서로 연결하는 긴장재를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

- 지반변형 억제 : 건축물 또는 시설물 주변의 4면에 대해 복수의 파일부재를 파형으로 연결하여 지반을 구속함으로써 지반의 변형을 억제할 수 있다.

- 지반 측방유동 구속 : 파형으로 연결된 복수의 파일부재에 의해 구속된 지반 안쪽의 토사에 대해 측방유동을 구속할 수 있다. 즉, 복수의 파일부재로 구속된 내부의 흙입자가 액상화 되어도 구속면 외부로의 이동을 방지할 수 있다.

- 과잉간극수압 전파차단 : 복수의 파일부재에 의해 방벽구조체 외부에서의 간극수의 전파를 차단할 수 있다.

- 지반침하의 억제 : 액상화에 의해 지반이 연약해져도 건축물 또는 시설물의 중력방향의 하중에 의한 압력을 방벽구조체로 구속된 지반이 부담하며, 이로 인한 지반의 침하를 억제하여 건축물 및 시설물의 액상화 피해를 경감시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 지반의 액상화 방지용 방벽구조체를 시공하는 상태를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 방벽구조체를 나타낸 종단면도이다.
도 3a 및 도 3b는 본 발명의 일 실시예에 따른 방벽구조체가 지반에 설치된 2가지 예를 나타낸 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 방벽구조체의 요부 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 방벽구조체를 구성하는 파일부재를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 방벽구조체를 나타낸 평면도이다.
도 7은 도 6에 도시한 방벽구조체의 변형례를 나타낸 평면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 방벽구조체를 나타낸 요부 횡단면도이다.

첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 따른 지반의 액상화 방지용 방벽구조체에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하거나, 개략적인 구성을 이해하기 위하여 실제보다 축소하여 도시한 것이다.

또한, 제1 및 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1 내지 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 지반의 액상화 방지용 방벽구조체는 건축물이나 시설물(B) 하부의 지반의 일정 영역을 둘러싸면서 차폐하도록 측방으로 연속하여 배열된 복수의 파일부재(10), 상기 복수의 파일부재(10)의 양측 연결 부위를 수밀하게 차폐하는 실링재(20)를 포함한다.

상기 파일부재(10)는 양측면이 둔각으로 벌어진 대략 'U'형 단면을 갖는 긴 말뚝(pile) 또는 빔(beam) 형태를 가지며, 고강도의 금속 재질로 되어 건축물 하부의 지반에 연직하게 매설된다. 파일부재(10)는 복수개가 서로 긴밀하게 연결되어 지반의 일정 영역을 둘러싸면서 차폐하도록 배열된다. 이 때, 각각의 파일부재(10)는 전체 길이의 적어도 90% 이상이 지반에 매립되는 것이 바람직하다.

이러한 복수의 파일부재(10)는 도 3a, 도 3b 및 도 4에 도시한 것과 같이 측방으로 지그재그로 연속하여 배열되면서 파형의 방벽체를 이룰 수 있다. 이 때 파일부재(10)의 양측 끝단부에는 'C'형 고리 형태 또는 갈고리 형태로 된 조인트부(11)가 일체로 형성되어, 파일부재(10)의 일측 끝단부의 조인트부(11)가 측방에 배치되는 다른 파일부재(10)의 일측 끝단부의 조인트부(11)와 서로 맞물리면서 긴밀하게 연결될 수 있다.

이 실시예에서 복수의 파일부재(10)는 측방으로 지그재그로 연속하여 배열되지만, 파일부재(10)의 조인트부(11)의 형태와 방향을 변형하여 복수의 파일부재(10)들이 서로 동일한 방향으로 배치되면서 연결될 수도 있을 것이다.

상기 파일부재(10)는 복수개가 지반에서 측방으로 연속하여 배열되어 도 3a에 도시한 것과 같이 지반의 일정 영역을 사각형 형태로 둘러싸면서 차폐할 수도 있지만, 도 3b에 도시한 것과 같이 타원형이나 원형으로 지반의 일정 영역을 차폐하거나, 트랙형, 삼각형이나 육각형 등의 다각형 형태로 지반을 둘러싸면서 차폐할 수도 있을 것이다. 이와 같이 파일부재(10)는 복수개가 연속적으로 연결되면서 지반의 토양의 액상화를 방지하는 방벽을 형성하게 된다. 파일부재(10)는 건축물이 철거 및 해체되는 시점까지 지반에 매립된 상태로 영구적으로 사용될 수 있다.

파일부재(10)가 지반의 일정 영역을 차폐하는 방벽의 기능을 수행하는 동안, 파일부재(10)에 녹이 발생하게 되면 지반변형 억제, 지반 측방유동, 과잉간극수압 전파차단, 지반침하 억제 등의 효과가 저하될 수 있으므로 도 5에 도시한 것과 같이 파일부재(10)의 표면은 방청 및 피복되는 것이 바람직하다. 파일부재(10)의 방청 및 피복은 특수 프라이머로 표면처리를 하여 프라이머층(12)을 도포하고, 그 위에 우레탄 엘라스토머와 같은 수지로 피복층(13)을 코팅하는 방식으로 이루어질 수 있다.

한편, 상술한 것과 같이 복수의 파일부재(10)는 양측 끝단부에 형성된 갈고리 형태의 조인트부(11)를 이용하여 연결되는데, 조인트부(11) 간에 공극이 있을 경우 공극을 통해 차폐 영역 내부로 물이 유입되어 액상화가 진행되고, 지반에서 발생하는 결로로 인해 파일부재(10)가 부식될 수 있으므로, 조인트부(11) 사이에 수용성 폴리우레탄 수지로 된 실링재(20)를 채워서 수밀성을 확보할 수 있다.

수용성 폴리우레탄 수지는 물이 희석제 역할을 하며, 수지 제품 내에 물이 포함되어 있고 물은 경화 과정에서 증발하게 된다. 수용성 폴리우레탄 수지로 된 실링재(20)는 조인트부(11) 사이의 공극의 상단을 통해 주입된 후 자중에 의해 하측으로 유동하여 조인트부(11) 사이의 공극에 채워진 후 경화됨으로써 조인트부(11) 사이의 공극을 완전히 차폐하여 우수한 수밀성을 제공하게 된다. 이 실시예에서 실링재(20)는 수용성 폴리우레탄 수지를 적용하지만, 이외에도 액상 또는 페이스트상으로 되어 조인트부(11) 사이의 공극에 채워진 후 경화되면서 수밀 작용을 할 수 있는 임의의 수지를 적용할 수도 있을 것이다.

실링재(20)는 파일부재(10)의 연결 부위를 수밀하게 차폐하여 수분의 유출입을 방지하는 작용을 함과 동시에 파일부재(10)의 연결 부위를 더욱 견고하게 연결함으로써 파일부재(10)의 접합 강도도 향상시킬 수 있는 작용을 한다.

이러한 본 발명의 방벽구조체는 다음과 같은 이점들을 제공할 수 있다(도 2 참조).

- 지반변형 억제 : 건축물 또는 시설물(B) 주변의 4면에 대해 복수의 파일부재(10)를 파형으로 연결하여 지반을 구속하여, 구속된 지반의 변형을 억제할 수 있다.

- 지반 측방유동 구속 : 파형으로 연결된 복수의 파일부재(10)에 의해 구속된 지반 안쪽의 토사에 대해 측방유동을 구속할 수 있다. 즉, 복수의 파일부재(10)로 구속된 내부의 흙입자가 액상화 되어도 구속면 외부로의 이동을 방지할 수 있다.

- 과잉간극수압 전파차단 : 구속된 복수의 파일부재(10)에 의해 방벽구조체 외부에서의 간극수의 전파를 차단할 수 있다.

- 지반침하의 억제 : 액상화에 의해 지반이 연약해져도 건축물 또는 시설물의 중력방향의 하중에 의한 압력을 방벽구조체로 구속된 지반이 부담하며, 이로 인한 지반의 침하를 억제하여 건축물 및 시설물(B)의 액상화 피해를 경감시킬 수 있다.

한편, 상술한 것과 같이 복수의 파일부재(10)를 서로 연결하여 지반을 구속하는 방벽구조체를 구축할 때, 도 6 및 도 7에 도시한 것과 같이 상기 복수의 파일부재(10)에 의해 둘러싸인 영역 내에서 복수의 파일부재(10)에 인장력을 가하면서 복수의 파일부재(10)를 서로 연결하는 긴장재(30)를 추가로 설치함으로써 방벽구조체의 지반 구속 효과를 향상시키고, 형태 유지 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다.

또한 파일부재(10)를 항타기 등을 이용하여 지반에 매립할 때 파일부재(10)의 위치가 틀어지지 않고 지반에 대해 연직하게 매립되면서 측면의 다른 파일부재(10)와 정확하게 연결될 수 있도록 하기 위하여, 도 8에 다른 실시예로 나타낸 것과 같이, 파일부재(10)의 일측면에 파일부재(10)가 지반에 매립될 때 지반에 매설되어 있는 다른 파일부재(10)의 외면을 따라 슬라이딩하는 대략 'L' 형태의 매설가이드바아(40)를 추가로 부착할 수도 있을 것이다.

이하 본 발명의 방벽구조체를 시공하는 방법에 대해 설명한다.

건축물 또는 시설물이 기건축된 지반에 파일부재(10)를 항타기를 이용하여 매립한다. 이어서 매립된 파일부재(10)의 일측 단부의 조인트부(11)의 상단에 다른 파일부재(10)의 일측 단부의 조인트부(11)의 하단을 맞추고 항타기로 매립한다. 이 때 항타기에 의해 매립되는 파일부재(10)의 방향은 이전에 매립된 파일부재(10)의 방향과 반대방향으로 되어 복수의 파일부재(10)의 면이 지그재그로, 즉 파형으로 연결되도록 하는 것이 바람직하다.

이러한 방식으로 복수의 파일부재(10)를 파형으로 연결하여 지반의 일정 영역을 파일부재(10)로 완전히 둘러싸서 차폐함으로써 지반이 복수의 파일부재(10)에 의해 구속되도록 한다.

이어서, 각각의 파일부재(10)의 조인트부(11)과 조인트부(11) 사이의 공극의 상단을 통해 페이스트 상의 실링재(20)를 주입하여 채워넣고 경화시킨다.

상기 실링재(20)가 경화되면 파일부재(10)의 연결 부위가 수밀되게 밀폐되면서 방벽구조체가 완성된다.

앞서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자 또는 해당 기술 분야에 통상의 지식을 갖는 자라면 후술될 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 기술 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

B : 건축물 또는 시설물 10 : 파일부재
11 : 조인트부 12 : 프라이머층
13 : 피복층 20 : 실링재
30 : 긴장재 40 : 매설가이드바아

Claims (5)

1. 양측 끝단부는 'C'형 고리 형태로 된 'U'형 단면을 갖는 말뚝 형태를 가지며, 건축물 하부의 지반에 연직하게 매설되면서 양측 끝단부가 서로 긴밀하게 연결되고, 지반의 일정 영역을 둘러싸면서 차폐하도록 측방으로 지그재그로 연속하여 배열된 복수의 파일부재;
   상기 복수의 파일부재의 양측 끝단부 사이의 연결 부위에 채워지는 수용성 폴리우레탄 수지로 된 실링재;
   'L' 형태로 되어 상기 파일부재의 일측면에 부착되며, 상기 파일부재가 지반에 연직하게 매립될 때 지반에 매설되어 있는 다른 파일부재의 외면을 따라 슬라이딩하는 매설가이드바아; 및,
   상기 복수의 파일부재에 의해 둘러싸인 영역 내에서 상기 복수의 파일부재에 인장력을 가하면서 복수의 파일부재를 서로 연결하는 복수의 긴장재;
   를 포함하는 지반의 액상화 방지용 방벽구조체.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 상기 파일부재의 양측 끝단부에 실링재를 안내하는 가이드유로가 파일부재의 길이방향을 따라 형성되고, 상기 가이드유로에는 수용성 폴리우레탄 수지가 유출되는 복수의 수지배출공이 길이방향을 따라 소정의 간격을 두고 배열된 지반의 액상화 방지용 방벽구조체.
5. 삭제

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